Применение гис при моделировании состояния окружающей среды. Использование гис для проведения экологического мониторинга. Применение гис в экологии
ГИС (географические информационные системы) позволяет рассматривать данные по анализируемым проблемам относительно их пространственных взаимоотношений, что позволяет проводить комплексную оценку ситуации и создает основу для принятия более точных и разумных решений в процессе управления. Объекты и процессы, описываемые в ГИС, являются частью повседневной жизни, и почти каждое принимаемое решение ограничивается, связывается или бывает продиктовано тем или иным пространственным фактором. На сегодняшний день возможность использования ГИС сочетается с потребностью в них, следствием чего является быстрый рост их популярности.
Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях
2.1. Деградация среды обитания
ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В дальнейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, в частности спутниковых, и обычных полевых наблюдений с их помощью можно осуществлять мониторинг местных и широкомасштабных антропогенных воздействий. Данные об антропогенных нагрузках целесообразно наложить на карты зонирования территории с выделенными областями, представляющими особый интерес с природоохранной точки зрения, например парками, заповедниками и заказниками. Оценку состояния и темпов деградации природной среды можно проводить и по выделенным на всех слоях карты тестовым участкам.
2.2. Загрязнение
С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения от точечных и неточечных (пространственных) источников на местности, в атмосфере и по гидрологической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты растительности, или же на карты жилых массивов в данном районе. В результате можно оперативно оценить ближайшие и будущие последствия таких экстремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а также влияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей.
2.3. Землевладение
ГИС широко применяются для составления и ведения разнообразных, в том числе земельных, кадастров. С их помощью удобно создавать базы данных и карты по земельной собственности, объединять их с базами данных по любым природным и социально-экономическим показателям, накладывать соответствующие карты друг на друга и создавать комплексные (например, ресурсные) карты, строить графики и разного вида диаграммы.
2.4. Охраняемые территории
Еще одна распространенная сфера применения ГИС – сбор и управление данными по охраняемым территориям, таким как заказники, заповедники и национальные парки. В пределах охраняемых районов можно проводить полноценный пространственный мониторинг растительных сообществ ценных и редких видов животных, определять влияние антропогенных вмешательств, таких как туризм, прокладка дорог или ЛЭП, планировать и доводить до реализации природоохранные мероприятия. Возможно выполнение и многопользовательских задач, таких как регулирование выпаса скота и прогнозирование продуктивности земельных угодий. Такие задачи ГИС решает на научной основе, то есть выбираются решения, обеспечивающие минимальный уровень воздействия на дикую природу, сохранение на требуемом уровне чистоты воздуха, водных объектов и почв, особенно в часто посещаемых туристами районах.
2.5. Восстановление среды обитания
ГИС является эффективным средством для изучения среды обитания в целом, отдельных видов растительного и животного мира в пространственном и временном аспектах. Если установлены конкретные параметры окружающей среды, необходимые,например, для существования какого-либо вида животных, включая наличие пастбищ и мест для размножения, соответствующие типы и запасы кормовых ресурсов, источники воды, требования к чистоте природной среды, то ГИС поможет быстро подыскать районы с подходящей комбинацией параметров, в пределах которых условия существования или восстановления численности данного вида будут близки к оптимальным. На стадии адаптации переселенного вида к новой местности ГИС эффективна для мониторинга ближайших и отдаленных последствий предпринятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению.
2.6. Мониторинг
По мере расширения и углубления природоохранных мероприятий одной из основных сфер применения ГИС становится слежение за последствиями предпринимаемых действий на локальном и региональном уровнях. Источниками обновляемой информации могут быть результаты наземных съемок или дистанционных наблюдений с воздушного транспорта и из космоса. Использование ГИС эффективно и для мониторинга условий жизнедеятельности местных и привнесенных видов, выявления причинно-следственных цепочек и взаимосвязей, оценки благоприятных и неблагоприятных последствий предпринимаемых природоохранных мероприятий на экосистему в целом и отдельные ее компоненты, принятия оперативных решений по их корректировке в зависимости от меняющихся внешних условий.
Опыт комплексных географических исследований и системного тематического картографирования позволил геоинформационному картографированию занять ведущие позиции в развитии картографической науки и производства.
Сопоставление разновременных и разнотематических карт позволяет перейти к прогнозам на основе выявленных взаимосвязей и тенденций развития явлений и процессов. Прогноз по картам позволяет прогнозировать и современные, но еще не известные явления, например, прогнозы погоды или неизвестные полезные ископаемые.
В основе прогноза лежат картографические экстраполяции, трактуемые как распространение закономерностей, полученных в ходе картографического анализа какого-либо явления, на неизученную часть этого явления, на другую территорию или на будущее время. Картографические экстраполяции, как и любые другие (математические, логические), не универсальны. Их достоинство в том, что они хорошо приспособлены для прогнозирования и пространственных, и временных закономерностей. В практике прогнозирования по картам широко применяют также известные в географии методы аналогий, индикации, экспертные оценки, расчет статистических регрессий и др.
Литература:
1. Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях: Учебное пособие для вузов. - М., 2005. – 352 с.
2. Стурман В.И. Экологическое картографирование: Учебное пособие. – Москва, 2003.
Тема 14. Содержание и методы составления экологических карт. План:
1. Картографирование атмосферных проблем.
2. Картографирование загрязнения вод суши.
3. Качественные и количественные оценки экологических ситуаций.
1. Картографирование атмосферных проблем
Атмосфера как наиболее динамичная среда характеризуется сложной пространственно-временной динамикой уровней содержания примесей. В каждый данный момент времени уровень загрязненности атмосферы над некоторой территорией или в той или иной точке определяется балансом по отдельным поллютантам и их совокупности. В приходной части баланса находятся:
♦ поступление загрязняющих веществ от совокупности техногенных и естественных источников в пределах рассматриваемой территории;
♦ поступление загрязняющих веществ от источников за пределами рассматриваемой территории, в том числе отдаленных (дальний перенос);
♦ образование загрязняющих веществ в результате вторичных химических процессов, протекающих в самой атмосфере.
В расходной части баланса находятся:
♦ вынос загрязняющих веществ за пределы рассматриваемой территории;
♦ осаждение загрязняющих веществ на земную поверхность;
♦ разрушение загрязняющих веществ в результате процессов самоочищения.
Факторы интенсивности осаждения и самоочищения для разных веществ в значительной степени совпадают. Поэтому концентрации разных веществ обычно меняются относительно согласованно, подчиняясь одним и тем же временным и пространственным закономерностям.
Поступление загрязняющих веществ от естественных и техногенных пылящих источников усиливается при усилении ветра (в сочетании с наличием незакрепленных поверхностей), при вулканических процессах.
Таким образом, картографирование загрязнения атмосферы складывается из:
♦ картографирования потенциала загрязнения атмосферы;
♦ картографирования источников загрязнения;
♦ картографирования уровней загрязнения.
условиях возрастающего антропогенного воздействия на окружающую природную среду с особо остротой встает задача анализа и оценки состояния компонентов окружающей природной среды. Положение усугубляется и за счет неадекватной реакции различных экосистем и ландшафтов на поступление продуктов человеческой деятельности. Существующие традиционные методы анализа экологической ситуации (статистические, имитационного моделирования) в условиях синергизма многочисленных факторов окружающей природной среды часто не дают должного эффекта или вызывают большие технические трудности при их реализации.
Использование информационного подхода, базирующегося на новых информационных технологиях (геоинформационных и экспертных системах), позволяет не только количественно описать процессы, происходящие в сложных эко- и геосистемах, но и, смоделировав механизмы этих процессов, научно обосновать методы оценки состояния различных компонентов окружающей природной среды.
К числу наиболее актуальных задач в данной области следует отнести прежде всего задачу создания нового и/или адаптации
существующего в других областях знаний программного обеспечения (геоинформационных, информационно-советующих и экспертных систем), позволяющего обрабатывать огромные потоки информации, оценивать реальное состояние экосистем и на этой базе рассчитывать оптимальные варианты допустимого антропогенного воздействия на окружающую среду в целях рационального природопользования.
Анализ экологической информации включает |Ю.А. Израэль, 1984]:
Анализ эффектов воздействия различных факторов на окружающую среду (выявление критических факторов воздействия и наиболее чувствительных элементов биосферы);
Определение допустимых экологических воздействий и нагрузок на компоненты окружающей среды с учетом комплексного и комбинированного воздействия на экосистему;
Определение допустимых нагрузок на регион с эколого-эко-номических позиций.
Этапы информационного анализа экологической информации включают следующие стадии:
1) сбор информации о состоянии окружающей среды: экспедиционные исследования; стационарные исследования;
аэровизуальные наблюдения; дистанционное зондирование; космическая и аэрофотосъемка; тематическое картографирование; гидрометеорологические наблюдения; система мониторинга; литературные, фондовые и архивные данные;
2) первичная обработка и структуризация:
кодирование информации; преобразование в машинную форму; цифрование картографического материала; обработка изображений; структуризация данных; приведение данных к стандартному формату;
3) заполнение базы данных и статистический анализ: выбор логической организации данных; заполнение базы данных и редактирование; интерполяция и экстраполяция недостающих данных; статистическая обработка данных; анализ закономерностей в поведении данных, выявление трендов и доверительных интервалов;
4) моделирование поведения экосистем;
использование усложняющихся моделей; варьирование граничными условиями; имитация поведения экосистем при единичных воздействиях; картографическое моделирование; исследование диапазонов отклика при различных воздействиях;
5) экспертное оценивание:
оценка диапазонов изменения воздействий на экосистемы; оценка поведения экосистем при различных воздействиях по принципу «слабого звена»;
6) анализ неопределенности:
входных данных; параметров моделей; результатов моделирования; величин экспертных оценок;
7) выявление закономерностей и прогнозирование экологических последствий:
разработка возможных сценариев поведения экосистем; прогнозирование поведения экосистем; оценка результатов различных сценариев;
8) принятие решений по ограничению воздействий на окружающую природную среду:
выработка «щадящих» (сберегающих) стратегий сокращения воздействий на окружающую природную среду; обоснование выбранных решений (экологическое и социально-экономическое).
Экспертпо-моЬелирующая геоинформациоюшя система (ЭМ ГИС) представляет собой объединение общим пользовательским интерфейсом обычной ГИС с оболочкой экспертной системы и блоком математического моделирования.
Крити ческие нагрузки (КН) на экосистемы - это «максимальное выпадение подкисляющих соединений, не вызывающее в течение длительного периода вредных последствий для структуры и функций этих экосистем» Критические нагрузки являются индикатором устойчивости экосистем. Они обеспечивают значение максимально «разрешимой» нагрузки загрязняющего вещества, при которой практически не происходит разрушения биогеохимической структуры экосистемы. Чув-тельноеть экосистемы например, к кислотным выпадениям может быть определена измерением или оцениванием определенных физических или химических параметров экосистемы; тем самым может быть идентифицирован уровень кислотных выпадений, который не оказывает или оказывает крайне незначительное влияние на эту чувствительность.
В настоящий момент экологические ГИС представляют собой сложные информационные системы, включающую мощную операционную систему, интерфейс пользователя, системы ведения баз данных и отображения экологической информации. Требования к экологической ГИС созвучны требованиям к идеальной ГИС, предложенной в работе
1) возможность обработки массивов покомпонентной гетерогенной пространственно-координированной информации;
2) способность поддерживать базы данных для широкого класса географических объектов;
3) возможность диалогового режима работы пользователя;
4) гибкая конфигурация системы, возможность быстрой настройки системы на решение разнообразных задач;
5) способность «воспринимать» и обрабатывать пространственные особенности геоэкологических ситуаций.Большое значение имеет способность современных ГИС преобразовывать имеющуюся экологическую информацию с помощью различных моделей (способность к синтезу).
Принципиальное отличие ГИС от экологических баз данных состоит в их пространственное™ благодаря использованию картографической основы [ВХ.Давыдчук и др., 1988], Поэтому в задачах оценки состояния окружающей природной среды необходим переход с использованием ГИС от биогеоиенотического уровня рассмотрения проблемы к ландшафтному. При этом в качестве основы ГИС используется ландшафтная карта, по которой в автоматизированном режиме строится серия частных карт, характеризующих основные компоненты ландшафта. Следует подчеркнуть, что экологическое картографирование не сводится к покомпонентному картографированию природной организации региона и распределения антропогенной нагрузки. Не следует также думать, что экологическое картографирование представляет собой набор карт по величинам ЛДК различных загрязняющих веществ. Под экологическим картографированием прежде всего понимается способ визуализации результатов экологической экспертизы, выполненной на качественно новых подходах. Поэтому очень важна синтезирующая роль этого способа представления информации.
Использование ГИС-технологий в экологии подразумевает широкое применение различного вида моделей (в первую очередь имеющих экологическую направленность). Поскольку экологическое картографирование окружающей природной среды опирается на представление о биогеохимических основах миграции загрязняющих веществ в природных средах, при создании ГИС для этих целей наряду с экологическими моделями требуется построение моделей, реализованных на принципах и подходах географических наук (гидрологии, метеорологии, геохимии ландшафта и др,). Тем самым модельная часть ГИС развивается в двух направлениях:
1) математические модели динамики процессов миграции вещества;
2) алгоритмы автоматизированного представления модельных результатов в виде тематических карт. В качестве примера моделей первой группы отметим модели поверхностного стока и смыва, инфильтрационного питания грунтовых вод, русловых процессов и т.д. Типичными представителями второй группы являются алгоритмы построения контуров, вычисления площадей и определения расстояний.
Используя описанную методологию, мы разработали концепцию экологической ГИС, которая была апробирована на двух масштабных уровнях: локальном и региональном. Первый использовался для обработки и визуализации информации, хранящейся в банке данных экологического мониторинга для Московской области. Это послужило ОСНОВОЙ разрабо*
тайной затем экспертно-моделируюшей ГИС для определения параметров экологически допустимого воздействия на агроландшаф-ты Московской области.
Работа экологической ГИС на региональном уровне была продемонстрирована при картографировании критических нагрузок серы и азота на экосистемы европейской части России и оценке устойчивости экосистем и ландшафтов Таиланда к кислотным выпадениям.
Задача количественной оценки факторов окружающей природной среды при анализе материалов экологического мониторинга имеет следующие особенности:
1) предпочтительна информация, имеющая площадной характер (полигоны и связанные с ними атрибуты). Информация, связанная с точечными объектами, используется как вспомогательная;
2) необходима оценка погрешностей хранящихся данных. Наряду с относительно точными картографическими данными присутствуют результаты замеров в различных точках (чаще по нерс-гулярной сетке), значения которых не точны;
3) применимы как точные математические модели, позволяющие строить прогнозы на базе решения сеточных уравнений, так и размытые экспертные правила, построенные на вероятностной основе;
4) неизвестно, сколько тематических атрибутов потребуется эксперту-специалисту для проведения оценок факторов. Возмож но, не понадобится вся хранимая в базе информация, но взамен предпочтительно увеличить скорость выполнения запросов;
5) запросы к базе данных в основном двух типов (дать список атрибутов, характеризующих данную точку на карте; высветить области на карте, обладающие необходимыми свойствами).
Исходя из этих особенностей, разрабатывалась модульная сие тема, ядром которой являлась картографическая база данных. Был предусмотрен интерфейс, позволяющий работать с системой как специалисту-пользователю, так и экспертно-моделирующей над стройке. Последнее необходимо по двум причинам. Во-первых, с целью использования пространственной информации для моделирования процессов переноса загрязняющих веществ (ЗВ) с помощью моделей, непосредственно не входящих в разработанную систему. Во-вторых, для использования экспертных оценок, компенсирующих неполноту, неточность и противоречивость результатов экологического мониторинга. Устройство разработанной логической модели для картографической базы данных характеризуется следующими особенностями,
1. Любую карту можно представить как пакет прозрачных лис тов, каждый из которых имеет одну и ту же координатную привя i ку. Каждый из таких листов разбивается по одному из картографируемьгх признаков. Один лист показывает, например, только типы почв, другой - только реки и т.д. Каждому из таких листов в базе данных отвечает класс агрегатов данных, где каждый объект данного класса описывает одну конкретную область с приписанным к ней атрибутом. Таким образом, база данных на верхнем уровне представляет собой дерево, верхние узлы которого представляют классы, а нижние - конкретные объекты классов. В любой момент можно добавить в базу или удалить из базы один или несколько классов агрегатов данных. С точки зрения модели - вставить или вытащить из пакета один или несколько листов.
2. База данных отвечает на оба типа необходимых запросов. Типы запросов легко представить, пользуясь иллюстрацией пакета прозрачных листов. Запрос об атрибутах точки соответствует «прокалыванию» пакета в необходимом месте и рассмотрению, где проколот каждый лист. Интерпретация запроса второго типа также очевидна. Особенность состоит в том, что результатом выполнения запроса о нахождении областей является полноправный класс, т в е. еще один прозрачный лист пакета листов, образующих карту. Это свой* ство позволяет экспертным надстройкам обрабатывать слои Kapi ы, полученные после выполнения запроса, так же как и простые слои.
3. Информация о точечных замерах хранится в базе в виде отношений «координаты-атрибут», но при использовании в конкретном приложении переводится в полигонную форму путем интерполяции, например, базируясь на мозаиках Вороного.
4. Информация о строго точечных объектах - триангуляционных знаках, колодцах и т.д. хранится в агрегатах данных с фиксированным числом возможных тематических атрибутов.
5. Линейные объекты хранятся как сеть с описанием топологии сети.
Таким образом, база данных ориентирована прежде всего на экономное хранение и эффективную обработку данных, имеющих характер полигонов (областей). Поскольку каждый лист картографируется только по одному атрибуту, он разбивается на довольно большие участки, что ускоряет выполнение запросов первого типа, которые являются типичными для численного моделирования на сетке.
Отдельно стоит сказать о вводе карт. Оцифровка карт с помощью дигитайзера дает очень высокую точность и является самым распространенным способом в экологических исследованиях до настоящего времени. Однако такой метод требует значительных временных и денежных затрат. Практика последнего времени убеждает, что для целей оцифровки удобнее применять сканер. Картинки, полученные со сканера, оцифровываются с помощью курсора мыши на экране компьютера. Этот метод позволяет:
Дать конечному пользователю самому определять необходимую точность оцифровки изображений, так как сканер высокого разрешения позволяет вывести на экран сильно увеличенное изображение цифруемой картинки, что дает возможность обеспечить практически ту же точность, что и при изготовлении карты;- уменьшить сложность ввода изображения, связанную с необходимостью помнить, какая часть изображения уже оцифрована.
Экологическая информация должна быть структурирована так. чтобы ей было удобно пользоваться как для анализа сложившейся экологической ситуации, так и для принятия решений и выдачи рекомендаций по реализации этих решений в целях рационального природопользования. Структурированная информация составляет основу информационного обеспечения, которое интегратив но и состоит из следующих блоков:
Блок данных природной организации территории, содержащий сведения о почвенно-геологической, гидрохимической, гидрогеологической, растительной характеристиках территории, местном климате, а также оценку факторов самоочищения ландшафтов;
Блок данных о техногенных потоках в регионе, их источи и ках, характере взаимодействия с транзитными и депонирующими средами;
Блок нормативной информации, содержащий совокупность экологических, эколого-технических, санитарно-гигиенических нормативов, а также нормативов размещения загрязняющих производств в природных системах.
Эти блоки составляют каркас регионального банка данных, необходимых для принятия экологически обоснованных решений п целях рационального природопользования.
Описанные блоки информационного обеспечения, как отмечалось, включают десятки и даже сотни параметров. Поэтому при формировании региональных ГИС, где количество типов экосистем составляет сотни и даже тысячи, размерность информационных массивов резко возрастает. Тем не менее простое увеличение объемов хранимых данных не создает таких трудностей, как расширение тематического содержания данных. Поскольку информация в ГИС хранится в единой информационной среде, предполагающей общность процессов поиска и выборки данных, то любое включение новых тематических данных предполагает реструктуризацию информации, включающую классификацию, определение взаимозависимости, иерархичности, пространственно-временного масштаба параметров различных компонентов экосистем.
Ранее отмечалось, что экологические базы данных составляют основу современной ГИС, причем такие базы данных содержат как пространственную, так и тематическую информацию. Многоцелевое назначение ГИС предъявляет ряд требований к методам построения баз данных и систем управления этими базами. Ведущая роль в формировании баз данных отводится тематическим
картам. В силу специфики решаемых задач и требований по детальности прорабатываемых вопросов основу баз данных составляют средне- и крупномасштабные карты, а также их тематическое наполнение.
Необходимость решения разнообразных задач экологического нормирования и почвенно-экологического прогнозирования, включая изучение миграции загрязняющих веществ во всех природных средах, требует сбора и ввода в банк данных информации по всем компонентам природной среды. Это традиционный путь построения современных ГИС, где вся информация хранится в виде отдельных слоев (каждый слой представляет отдельный компонент окружающей среды или его элемент). Основу таких ГИС составляет, например, карта рельефа [В, В. Бугровский и др., 19861, над которой надстраивается система карт отдельных компонентов (почва, растительность и т.д.). Вместе с тем отдельные компоненты не могут дать полного представления о природе региона. В частности, простое совмещение различных покомпонентных карт не дает знаний о ландшафтной структуре региона. Попытки построения карт геосистем или ландшафтной карты путем совмещения отдельных частей карт неизбежно сталкиваются с трудностью взаимоувязки и взаимосогласования контурной и содержательной части отдельных карт, выполненных, как правило, на разных принципах. Естественно, что автоматизация такой процедуры сталкивается с массой сложностей. Поэтому для формирования банков данных в структуре ГИС, где разнообразие экосистем и ландшафтов играет решающую роль в изучении динамики природных процессов и явлений, целесообразно в качестве основы формирования ГИС выбрать ландшафтную модель территории, которая включает в себя блоки для отдельных компонентов экосистем и ландшафтов (почва, растительность и т.д.).
Такой подход был использован при создании ГИС на территории Киевской области [В.С.Давыдчук, ВТ.Линник, 1989]. Вэтом случае ландшафтному блоку ГИС отводится ведущее значение в организации ГИС.
Ландшафтная карта дополняет ряд покомпонентных карт (литология, растительность и др.). В итоге отпадает необходимость в сведении покомпонентных карт к единой контурной и содержательной основе, а также вместо ряда покомпонентных карт в банк данных иногда вводится только одна ландшафтная карта, что существенно экономит подготовительные работы по вводу карты в ЭВМ и размер дисковой памяти под оцифрованные данные.
Ландшафтная карта дает только обобщенное представление о структуре геосистем и ее компонентов. Поэтому в зависимости от характера решаемых задач используются также другие тематические карты, например, гидрологическая, почвенная. Ландшафтный блок ГИС в таком
ческой структуры, т.е. вся поступающая новая картографическая информация должна быть «уложена» в структуру выделенных контуров экосистем. Это обеспечивает возможность единообразного использования различных покомпонентных карт.
Особое место в ГИС отводится цифровой модели местности (ЦММ). Она является основой не только для геодезического контроля, но также и для корректировки содержательной части используемых карт с учетом ландшафтной структуры региона. Назначение ландшафтного блока заключается не только в отображении компонентной и пространственной структуры геосистем, но и в выполнении роли самостоятельного источника взаимоувязанной информации о различных природных процессах. Так, на основе ландшафтной карты возможно построение рахличных оцс ночных карт по отдельным компонентам (например, карты влияния растительного покрова на эоловый перенос) и интегральных, характеризующих определенные свойства геосистем в целом (например, миграционную способность радионуклидов в различных типах ландшафтов).
Предложенные принципы организации информационного обеспечения позволили разработать методику оценки критических нагрузок, основанную на использовании экспертно-моделирую-тих геокнформаднонкых систем (ЭМ ГИС) для специфических условий России, где огромные пространственные выдслы характеризуются недостаточной степенью информационной насыщенности. Привлечение ЭМ ГИС, реализуемых на современных компьютерах, позволило количественно реализовать методику на практике. ЭМ ГИС могут оперировать базами данных и базами знаний, относящимися к территориям с высокой степенью пространственной разнородности и неопределенности информационного обеспечения. Как правило, такие системы включают и себя количественную оценку различных параметров миграционных потоков изучаемых элементов на выбранных репрезентативных ключевых участках, разработку и адаптацию алгоритма, описывающего эти потоки и циклы, и перенесение полученных закономерностей на другие регионы, имеющие сходные характеристические признаки с ключевыми участками. Такой подход, естественно, требует наличия достаточного картографического обеспечения, например, необходимы карты почвенного покрова, геохимического и гидрогеохимического районирования, карты и картосхемы различного масштаба по оценке биопродуктивности экосистем, их устойчивости, самоочишаюшей способности и т.д. На основании этих и других карт, а также баз данных, сформированных на ключевых участках, и используя экспертно-моделируюшие гсоинформаии-онные системы, возможна корректная интерпретация для лругих менее изученных регионов. Этот подход наиболее реалистичен для специфических условий России, где детальные экосистемные исследования выполнены, как правило, на ключевых участках, а огромные пространственные выделы характеризуются недостаточной степенью информационной насыщенности.
Информация, содержащаяся в Интернете, позволяет достаточно объективно оценить современное состояние ГИС-приложений в области экологии. Многие примеры представлены на сайтах российской ГИС-Ассоциации, фирмы «ДАТА+», многочисленных сайтах западных университетов. Ниже перечислены основные области использования ГИС-технологий для решения экологических задач.
Деградация среды обитания. ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В дальнейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, в частности спутниковых, и обычных полевых наблюдений с их помощью можно осуществлять мониторинг местных и широкомасштабных антропогенных воздействий. Данные о антропогенных нагрузках целесообразно наложить на карты зонирования территории с выделенными областями, представляющими особый интерес с природоохранной точки зрения, например парками, заповедниками и заказниками. Оценку состояния и темпов деградации природной среды можно проводить и по выделенным на всех слоях карты тестовым участкам.
Загрязнение. С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения от точечных и неточечных (пространственных) источников на местности, в атмосфере и по гидрологической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты растительности, или же на карты жилых массивов и данном районе. В результате можно оперативно оценить ближайшие и будущие последствия таких экстремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а также влияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей.
Охраняемые территории. Еще одна распространенная сфера применения ГИС - сбор и управление данными по охраняемым территориям, таким, как заказники, заповедники и национальные парки. В пределах охраняемых районов можно проводить полноценный пространственный мониторинг растительных сообществ ценных и редких видов животных, определять влияние антропогенных вмешательств, таких, как туризм, прокладка дорог или ЛЭП, планировать и доводить до реализации природоохранные мероприятия. Возможно выполнение и многопользовательских задач - регулирование выпаса скота и прогнозирование продуктивности земельных угодий. Эти задачи ГИС решают на научной основе, т.е. выбираются решения, обеспечивающие минимальный
уровень воздействия на природу, сохранение на требуемом уровне чистоты воздуха, водных объектов и почв, особенно в часто посещаемых туристами районах.
Неохраняемые территории. Региональные и местные руководящие структуры широко применяют возможности ГИС для получения оптимальных решений проблем, связанных с распределением и контролируемым использованием земельных ресурсов, улаживанием конфликтных ситуаций между штадельпем и арендаторами земель. Полезным и зачастую необходимым бывает сравнение текущих границ участков землепользования с зонированием земель и перспективными планами их использования. ГИС обеспечивает также возможность сопоставления границ землепользования е требованиями природы. Например, в ряде случаев бывает необходимым зарезервировать коридоры миграции диких животных через освоенные территории между заповедниками или национальными парками. Постоянным сбор и обновление данных о границах землепользовании может оказать большую помощь при разработке природоохранных, втом числе административных и законодательных, мер, отслеживать их исполнение, своевременно вносить изменения и дополнения в имеющиеся законы и постановления на основе базовых научных экологических принципов и концепций.
Восстановление среды обитания. ТИС является эффективным средством для изучения среды обитания в целом, отдельных видов растительного и животного мира в пространственном и временном аспектах. Если установлены конкретные параметры окружающей среды, необходимые, например, для существования какого-либо вила животных, включая наличие пастбищ и мест для размножения, соответствующие типы и запасы кормовых ресурсов, источники воды, требования к чистоте природной среды, то ГИС поможет быстро подыскать районы с подходящей комбинацией параметров, в пределах которых условия существования или восстанопления численности данного вида будут близки к оптимальным. На стадии адаптации переселенного вида к новой местности ГИС эффективна для мониторинга ближайших и отдаленных последствий принятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению.
Междисциплинарные исследования (экология и медицина/демография/климатология). Интегральные функциональные возможности ГИС в наиболее явном виде проявляются и благоприятствуют успешному проведению совместных междисциплинарных исследований. Они обеспечивают объединение и наложение друг на друга любых типов данных, лишь бы их можно было отобразить на карте. К подобным исследованиям относятся, например, такие: анализ взаимосвязей между здоровьем населения и разнообразными (природными, демографическими, экономическими) факторами; количественная оценка влияния параметров окружающей среды на состояние локальных и региональных экосистем и их составляющих; определение доходов землевладельцев в зависимости от преобладающих типов почв, климатических условий, удаленности от городов и др.; выявление численности и плотности ареалов распространения редких и исчезающих видов растений в зависимости от высоты местности, угла наклона и экспозиции склонов.
Экологическое образование. Поскольку создание бумажных карт с помощью ГИС значительно упрощается и удешевляется, появляется возможность получения большого количества разнообразных экологических карт, что расширяет возможности и широту охвата программ и курсов экологического образования. Ввиду простоты копирования и производства картографической продукции ее может использовать практически любой ученый, преподаватель или студент. Более того, стандартизация формата и компоновки базовых карт служит основой для сбора и демонстрации данных, получаемых учащимися и студентами, обмена данными между учебными заведениями и создания единой базы по регионам и it национальном масштабе. Можно подготовить специальные карты для землевладельцев с целью ознакомления их с планируемыми природоохранными мероприятиями, схемами буферных зон и экологических коридоров, которые создаются в данном районе и могут затронуть их земельные участки,
Экотуризм. Возможность быстрого создания привлекательных, красочных и в то же время качественных профессионально составленных карт делает ГИС идеальным средством создания рекламных и обзорных материалов для вовлечения публики в быстро развивающуюся сферу экотуризма. Характерной чертой так называемых «экотуристов» является глубокая заинтересованность в подробной информации о природных особенностях данной местности или страны, о происходящих в природе процессах, связанных с экологией в широком смысле. Среди этой достаточно многочисленной группы людей большой популярностью пользуются созданные с помощью ГИС научно-образовательные карты, отображающие распространение растительных сообществ, отдельных видов животных и птиц, области эндемиков и т.д. Подобная информация может оказаться полезной для целей экологического образования или для туристских агентств, для получения дополнительных средств из фондов проектов и национальных программ, поощряющих развитие путешествий и экскурсий.
Мониторинг. По мере расширения и углубления природоохранных мероприятий одной из основных сфер применения ГИС становится слежение за последствиями предпринимаемых действий на локальном и региональном уровнях. Источниками обновляемой информации могут быть результаты наземных съемок или дистанционных наблюдений. Использование ГИС эффективно и для мониторинга условий жизнедеятельности местных и привнесенных видов, выявления причинно-следственных цепочек и взаимосвязей, оценки благоприятных и неблагоприятных последствий предпринимаемых природоохранных мероприятий на экосистему в целом и отдельные ее компоненты, принятия оперативных решений по их корректировке в зависимости от внешних условий.
Теперь обратимся к конкретным реализованным экологическим проектам с использованием ГИС-технологий. Все приводимые ниже примеры взяты из опубликованных в Интернете обзоров, материалов конференций и других публикаций.
Экологический мониторинг и контроль нефтепровода Россия - Китай (С. Г. Кореей, Е.О.Чубай РАО «РОСНЕФТЕГАЗСТРОЙ»). Как правильно отмечено авторами, строительство трубопровода влечет за собой воздействие на состояние окружающей среды, флоры и фауны, но при грамотном и рациональном подходе к трассированию и непосредственно строительству изменение экосистемы может быть сведено к минимуму. Основополагающий аспект экологически грамотного проектирования нефтепровода заключается в смягчении воздействия на геосистемы и в использовании специальных технических приемов для стабилизации их состояния на некотором приемлемом уровне. При правильно выполненных изысканиях, достаточной базе пространственных данных, грамотном инженерно-геологическом прогнозе, а также при хорошей организации и выполнении работ с использованием технологий ГИС негативные явления могут быть сведены к минимуму. Поэтому важно выполнять все этапы экологических изысканий, прогноза и мониторинга.
Как известно, ГИС-тсхнологии применяются при решении задач построения многоуровневых информационных баз пространственных данных, обеспечивающих доступ ко всему комплексу ресурсов эффективным и наглядным способом. Это позволяет генерализовать информацию для успешного решения задач управления нефтепроводом, его инвентаризации и отслеживания состояния и ресурса. Кроме того, ГИС доказали свою высокую эффективность и при решении различных оперативных задач в процессе эксплуатации нефтепровода, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций. Исходя из этого, уже на первых стадиях проектирования нефтепровода Россия - Китай был произведен ГИС-анализ, позволяющий понять закономерности и взаимные отношения теографических данных и объектов. Результаты анализа позволяют проникнуть в суть происходящего в данном месте, координировать действия и выбрать лучший вариант решения. Совместное применение ГИС и данных дистанционного зондирования резко повышает оперативность и качество решений, направленных на ликвидацию аварий и минимизацию их последствий.
Исследования по опенке воздействия на окружающую среду проектируемого нефтепровода включали следующие этапы:
Анализ состояния территории, на которую может оказать влияние намечаемая деятельность;
Выявление возможных воздействий на окружающую среду;
Оиенка воздействий на окружающую среду;
Определение мероприятий, уменьшающих, смягчающих или предотвращающих негативные воздействия;
Оценка значимости остаточных воздействий на окружающую среду и их последствий;
Разработка программы экологического мониторинга и контроля на всех этапах реализации намечаемой деятельности.
Для выполнения работ по оценке экологической ситуации нефтепровода Россия-Китай был проведен многосторонний анализ информации. Разработана система экологического мониторинга для успешного проведения больших объемов комплексных строительных работ в условиях законодательных ограничений, установленных в отношении природной среды.
Система природного мониторинга содержит информацию о текущем состоянии экосистемы и взаимодействует с системой прогнозного моделировании для оценки разных сценариев строительства нефтепровода в целях достижения наиболее экономичного решения с учетом экологического критерия.
Учитывая, что основой для работы региональной ГИС экологической направленности является цифровая модель рельефа (ЦМР), построение ЦМР проводилось с учетом основных географических закономерностей- Кроме горизонталей и отметок высот учитывались реки, мелкие озера, батиметрия крупных озер, отметки урезов воды и др.
Работы с.применением ГИС по анализу реальных и гипотетических ситуаций, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации нефтепровода, проведены с использованием функций ArcVicw Spatial Analyst и 3D Analyst. По построенным ЦМР водосборов были определены направления водотоков, рассчитаны протяженность, площадь и объем разлива нефти в случае аварии. Это позволило скорректировать трассу нефтепровода в обход наиболее уязвимых участков. Математическая модель местности (МММ) строилась на основе ЦМР высокого разрешения и ряда тематических слоев. По ней можно в автоматизированном режиме выделять водосборные бассейны для каждой точки поверхности, рассчитывать зоны затопления (загрязнения в случае разлива нефти), дальность распространения загрязнения с учетом почвенного покрова, растительности, гранулометрического состава грунтов, температурных параметров (воздуха и грунта), наличия осадков в момент ЧС, величины снежного покрова и т.д. Такой подход к выбору трассы позволяет минимизировать риски и значительно уменьшить масштабы негативных последствий возможных техногенных катастроф в данном районе. Учитывая высокую сейсмичность региона, данный подход является практически единственно возможным.
ГИС в решении радиационных проблем Кольского полуострова. Как правильно отмечено авторами, для выполнения работ по оценке радиационного риска региона необходим качественный анализ доступной информации и характеристик о радиоционно-опасных объектах (РОО). Помочь решению проблемы могут современные методы работы с пространственно распределенными наборами данных, в первую очередь ГИС. Работы с применением ГИС по анализу реальных и гипотетических ситуации, возникающих на РОО, ведутся не первый год, в том числе и п нашей стране. В Кольском научном центре РАН и, в частности, в Институте проблем промышленной экологии Сеие-ра КНЦ РАН исследуются экологические аспекты радиационной проблематики Кольского полуострова и региона. Основные задачи состоят в следующем:
Используя ГИС, сделать открытые данные по РОО региона более наглядными и убедительными, а проблему -- более внятной;
Расширить доступ заинтересованных лиц к этим данным;
На основе результатов компьютерного моделирования аварийных ситуаций на РОО и ГИС-анализа радиационного риска территорий выполнить построение соответствующих электронных карт;
Облегчить создание обшего языка, интерфейса общения для отечественных и международных заинтересованных инстанций на всех уровнях, с целью продуктивного обсуждения проблемы и поисков средств и способов ее решения.
В настоящее время разработана структура и некоторые предварительные блоки ГИС региона, соответствующие кругу рассматриваемых вопросов. Основная цель разработки - на основе технологии ГИС создать информационный модуль, чтобы:
Систематизировать и структурировать информацию по РОО региона;
Анализировать радиационные проблемы в регионе;
Подготавливать исходные данные для математического моделирования атмосферного переноса радионуклидов и оценки риска в районах расположения ядерных энергетических установок (ЯЭУ).
Области ее применения включают; региональные системы радиационного мониторинга и автоматизированные системы (локальные, региональные) поддержки принятия решений в случае возникновения аварии на ядерных объектах.
Информационная поддержка:
Природоохранных предприятий и организаций региона;
Научно-исследовательских проектов и проектно-изыскатель-ских работ;
Органов государственного надзора и ведомств по чрезвычайным ситуациям.
База данных ГИС будет включать в себя объекты, сгруппированные в несколько слоев. На первом этапе были выбраны те объекты и в том объеме, которые обеспечены открытыми источниками информации: АЭС, затопленные корабли с твердыми радиоактивными отходами, места затопления ядерных реакторов, места проведения ядерных взрывов, места инцидентов с атомными подводными лодками, места запуска космических аппаратов в регионе (космодромы). Исходная информация для баз данных была получена из опубликованных источников и по результатам поиска в Интернет. В роботе по конструированию ГИС использовались следующие продукты фирмы ESRI, Тпс:
- Arclnfo - для создания слоен карты (со встроенной картой мира в проекции Робинсона в качестве картографической основы);
Язык AML - для разработки интерфейса к базе данных;
ArcExplorer I.I - для презентаций карт на персональном компьютере.
Ниже приводятся краткие описания выбранных объектов.
Реакторы атомных электростанций. В базу ГИС ко энергоблокам АЭС включены данные по 21 блоку 12 станций, включая Би-либинскую АЭС и Норильский экспериментальный реактор.
Предварительная версии разрабатываемой ГИС конструируется пока как локальный информационно-справочный модуль по радиационно-опасным объектам. Более перспективным является применение ГИС в региональных автоматизированных системах контроля радиационной обстановки и системах поддержки принятия решений на случай радиационных аварий. Институт проблем промышленной экологии Севера использует в настоящее время отдельные приложения ГИС-технологии для создания локальной Автоматизированной системы контроля радиационной обстановки Кольской АЭС.
ГИС все более активно используются для анализа радиационного риска региона. Это связано с тем, что используемые модели должны учитывать большие массивы важных пространственно распределенных параметров. Слияние математического моделирования с ГИС требует либо создания стандартного интерфейса между моделями и ГИС, либо разработки математических моделей в рамках ГИС-технологии. Реализованная в Arclnfo (начиная с версии 7.1.2) Открытая среда разработки приложений (ODE) позволяет объединять функциональные возможности Arclnfo и других прикладных программ через специально создаваемые интерфейсы с использованием стандартных сред программирования. ODE позволила включить множество прикладных программ в пространство ГИС-технологий. В семействе продуктов ESRI, Inc есть и другие модули, необходимые для рассматриваемого класса задач. К ним относятся серверы пространственных данных, картографические серверы Интернет/Интернет, модуль для встраивания карт и функций ГИС в собственные приложения, модули для моделирования природной среды.
По мнению авторов, применение ГИС поможет успешно приступить к решению задач инвентаризации, учета и контроля за состоянием радиационно-опасных объектов и самой территории региона, а также математического моделирования связанных с ними ситуаций.
Экологическая ГИС и система экологического мониторинга в Ямало-Ненецком автономном округе (О. Розанов, Отдел экологического мониторинга Государственного комитета по охране окружающей среды ЯНАО). В основу региональной ГИС была положена электронная карта масштаба I : 200 000, оцифрованная в системе Arclnfo в проекции Гаусса-Крюгсра на эллипсоиде Красовс-кого в системе прямоугольных координат 1942 г., после чего была произведена оценка точности оцифровки, которая подтвердила соответствие метрической информации точности исходных картографических материалов. Число слоев карты и их насыщенность полностью соответствуют каждому тиражному оттиску карты. По мере развития ГИС карта дополнялась объектами месторождений, лицензионных участков, особо охраняемых территорий (заказников, заповедников), инфраструктурой. Указанная информация была собрана и собирается по сей день из различных источников и переведена в покрытия Arclnfo. Самая свежая информация по обновлению тематики карт была получена в отделе со спутника «Ресурс-01»Первый этап обработки принимаемой информации заключается в просмотре изображения, географической привязке по орбитальным элементам, вырезке полезных фрагментов, коррекции привязки по реперным точкам на изображении, сохранении выбранных фрагментов и экспорте в исходные формы. Второй этап обработки снимков занимает процесс тематического дешифрирования. Практические навыки приобретались в полевых условиях Пуровского района на месторождениях Пограничное и Вынгаггу-ровское. Работы по обработке снимков выполнялись программным продуктом Maplnfo. Первые результаты работы с растровыми изображениями в Maplnfo показали оперативность и достаточную простоту в определении периметра и площадей выделяемых на снимке объектов (зоны затопления, гари и др.), а также в рисовке определенных участков рельефа и техногенных нарушений, имеющих особый интерес у контролирующих служб. На этом работа в Maplnfo и заканчивалась. Затем начинались проблемы по
трансформированию снимков в проекцию Гаусса-Крюгера и экспортированию е систему ArcView для работы с векторной картой. Определенная помощь в трансформировании снимков была получена при работе с программой Image Transformer, разработанной в ИТЦ Сканэкс, Однако после выхода модуля ArcView Image Analysis (ERDAS) работа существенно ускорилась.
В основу экологической ГИС города Салехарда была положена электронная карта масштаба 1: 10000, дополненная путем оцифровки планшетов масштаба 1:2000- При построении тематических слоев карты города Салехарда использовались новейшие данные застройки города, которые чаще всего предоставлялись в виде калек, планов и планшетов. Для трансформирования и привязки сканированных изображений в покрытия карты успешно использовался модуль ArcView Image Analysis. Также этот модуль был опробован для совмещения растрового изображения космоснимка зоны затопления в период половодья на реке Обь с векторной картой масштаба 1:200000. Благодаря удачной совместимости модуля с системой Arc View G1S были получены положительные результаты по созданию тематических цифровых карт на основе снимков и их обновлению. Таким образом, были оцифрованы материалы аэрофотосъемки, несущие в себе информацию об антропогенных нарушениях за пределами административной фаницы города Салехарда. Это разрабатываемые в настоящее время и старые не рекультивированные карьеры, площадки для складирования грунтов, неучтенные грунтовые дороги и тропы. Использование опорной информации по трансформированному участку местности дало возможность существенно улучшить точность геометрического преобразования без дополнительной интерполяции яркости пикселов на изображении.
Проводимая в отделе работа по использованию принимаемой спутниковой информации в ГИС региона представляет практический интерес как для контролирующих служб комитета, так и для других заинтересованных структур. Планируются совместные работы с Гидрометслужбой и службами навигации ледовой и метеорологической обстановки в Северных морях.
По причине непостоянства погодных условий Крайнего Севера, быстро сменяющих друг друга арктических циклонов и, как следствие, малого количества ясных дней, нецелесообразности приема оптических изображений в темные месяцы года весьма перспективными являются данные спутников с радарами бокового обзора (SAR), такими, как TRS и RADARSAT. А появление на вооружении мощной системы обработки данных дистанционного зондирования ERDAS Imagine позволяет отделу экологического мониторинга Государственного комитета по охране окружающей среды ЯНАО выступить инициатором широкого применения методов дистанционного зондирования в округе.
Система принятия управленческих решений в области экологии с применением ГИС-технологий (С. И, Козлов, Центр экологической безопасности администрации Нижегородской области). Автором сформулированы основные задачи, стоящие перед региональной информационно-аналитической системой поддержки принятия управленческих решений в области обеспечении экологической безопасности региона:
Подготовка интегрированной информации о состоянии окружающей среды, прогнозов вероятных последствий хозяйственной деятельности и рекомендаций по выбору вариантов безопасного развития региона;
Имитационное моделирование процессов, происходящих в окружающей среде, с учетом существующих уровней антропогенной нагрузки и возможных последствий принимаемых управленческих решений и возможных аварийных ситуаций;
Накопление информации по временным трендам параметров окружающей среди с целью экологического прогнозирования;
Обработка и накопление в базах данных результатов локального и дистанционного мониторинга, данных аэрокосмическнх снимков и выявление природных объектов, подвергшихся наибольшему антропогенному воздействию;
Обмен информацией о состоянии окружающей среды (импорт и экспорт данных) с экошчформационными системами других уровней;
Выдача информации при проведении экологической экспертизы и мероприятий процедуры оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС);
Предоставление информации, необходимой ДЛЯ контроля за соблюдением природоохранного законодательства, для экологического образования, для средств массовой информации.
При реализации различных экологических проектов и их информационной поддержке экологической службой администрации области выдвигается требование наличия обменных форматов, используемых в различных организациях и согласования классификаторов, имеющейся экологической и сопутствующей информации. Данная работа координируется Центром экологической безопасности (ЦЭБ), созданным в составе экологической службы администрации Нижегородской области в 1995 г. с целью эксплуатации автоматизированной системы экологического мониторинга, внедрения ГИС-технологий в деятельность природоохранных организаций области, информационной поддержки решения задачи обеспечения экологической безопасности региона.
В настоящее время процесс первоначального накопления данных завершен, большая часть тематических слоев сформирована и ГИС функционирует в режиме «горячая линия» в сети администрации Нижегородской области. Однако работа по поддержанию 370
актуальности информации и формированию новых тематических слоев постоянно продолжается. Оцифрованные материалы по мере готовности по согласованной форме представляются на электронных носителях в центр экологической безопасности для систематизации и в обработанном виде представляются подразделениям экологической службы и другим организациям. Существующие и создаваемые слои отражают практически все аспекты, имеющие отношение к экологической безопасности. Для иллюстрации можно выделить следующие крупные блоки слоев (в настоящее время в составе ГИС создано более 350 тематических слоев).
1. Топооснова, т.е. слои, содержащие сведения о географическом положении территории, природных условиях, рельефе и т.д. Основу для данного блока составляет топографическая карта масштаба 1: 1 000000, подготовленная Верхне-Волжским АГП, и более крупномасштабные карты наиболее крупных городов области. Для решения целого ряда задач необходимы карты более крупных масштабов, в связи с этим в настоящий момент ведется активная работа по переходу к масштабам 1: 500 000 и I: 200 000 на всю территорию области.
2. Данные об источниках выбросов и сбросов, размещении отходов. К данной группе относятся слои, созданные на базе информации о природопользователях и формах статистической отчетности. ГИС-тсхнологии позволяют проводить анализ загрязнения, вызванного этими многочисленными источниками, в привязке к конкретным природным объектам или к их частям (например, к отдельным участкам рек).
3. Сведения об источниках повышенной опасности и объектах экологического риска. Состав слоев этого блока зависит от специфики конкретного региона и объема доступной информации по конкретным объектам.
4. Информация об инженерной и транспортной инфраструктуре. Слои, входящие в эту группу, часто интересны не сами по себе, а в сочетании с информацией о карстовых явлениях, паводке и других природных явлениях, которые могут привести к аварийной ситуации,
5. Сведения о распространении, динамике и уровнях загрязнения природных сред. Данный блок содержит наиболее вариабельные слои, содержащие данные экологического мониторинга с периодом обновления одни сутки. На основании этих данных происходит основная аналитическая работа. Именно эти слои, будучи наложенными на другие слои и данные многолетнего фонового мониторинга, позволяют наиболее точно и оперативно оценить экологическую обстановку в области.
6. Радиационная обстановка. Информация этих слоев позволяет оценить радиационную обстановку как в целом, так и по отдельным районам.
7. Санитарно-эпидемиологическая обстановка и распределение заболеваемости на территории области. Пространственно-временной анализ этих данных, наложенный на информацию оперативного мониторинга, позволяет в ряде случаев не только увидеть взаимосвязи, но и спрогнозировать возможное развитие событий.
8. Животный и растительный мир, биоразнообразие, особо охраняемые природные территории. Совокупность этих слоев создана совместно с экологическим центром «Дронт».
9. Недра и геологическая изученность. Слои созданы по заказу территориальных органов Министерства природных ресурсов.
Необходимо отметить, что ГИС экологической службы вплотную подошла к тому моменту, когда количество информации перейдет в качество, что, п свою очередь, может привести к проявлению скрытых, закодированных в форме пространственных отношений взаимосвязей.
Кроме кратко охарактеризованных проектов, в Интернете существует множество сайтов, в той или иной степени связанных с применением ГИС для экологических проблем. Примеры применения ГИС-технологий в экологии можно найти в многочисленных ссылках сайта www.csri.com . в том числе в трудах ежегодных конференций ESRI, Inc.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Подобные документы
История создания географических информационных систем, их классификация и функции. Сущность геохимической оценки техногенных аномалий. Применение геоинформационной системы ArcView 9 для оценки загрязнения тяжелыми металлами атмосферного воздуха г. Ялты.
дипломная работа , добавлен 19.12.2012
Информационное обеспечение экологических исследований. Структура и особенности экспертной системы. Преимущества геоинформационных систем. Модели в "математической экологии". Системы получения данных. Объединение различных информационных технологий.
реферат , добавлен 11.12.2014
Особенности экологии района: основные проблемы Челябинской области в сфере экологии, влияние промышленных предприятий на экологию, пути и методы решения экологических проблем. Усовершенствование технологий по очистке природной среды от отходов.
доклад , добавлен 15.07.2008
Основные виды хроматографии. Применение хроматографических методов в экологическом мониторинге. Применение хроматографии в анализе объектов окружающей среды. Современное аппаратурное оформление. Методы проявления хроматограмм и работа хроматографа.
курсовая работа , добавлен 08.01.2010
Использование геоинформационных систем для создания карт основных параметров окружающей среды в нефтегазовой отрасли с целью выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны. Базовые основы системы мониторинга и комплексной оценки природной среды.
курсовая работа , добавлен 27.02.2011
Понятие мониторинга загрязнения вредными веществами, его цели и задачи, классификация. Институты регионального мониторинга состояния экологии. Построение системы регионального наблюдения в Республике Беларусь. Некоторые результаты стационарных наблюдений.
реферат , добавлен 30.05.2015
презентация , добавлен 27.11.2015
Общая характеристика загрязнений естественного и антропогенного происхождения, физические, химические и биологические загрязнения природной среды. Последствия загрязнения и неблагоприятное изменение нашего окружения, контроль и ликвидация отходов.
2.1.Общая методика проведения экологических
2.2.Особенности компонентного состава
Глава 3. Использование ГИС для ведения локальных экологических исследований (наполнение блока «экология»
3.1.Создание слоя квартальной застройки базовой картографической основы города Калуги как необходимое условие для проведения дальнейших
3.2.Картографическая оценка качества окружающей среды на территории города Калуги по стабильности
3.3.Локальная оценка качества вод малых рек окрестностей города Калуги с использованием ГИС (Ячейка. Терепец. Киёвка, Калужка).
3.4. Картографическая оценка качества окружающей среды на территории Калужского городского бора.
3.5.Создание кадастра древесных и кустарниковых растений произрастающих на улицах города Калуги с использованием ГИС.
Глава 4. Использование ГИС для ведения региональных экологических исследований (наполнение блока «экология» ГИС Калужской области).
4.1 .Картографическая оценка качества окружающей среды на территории Калужской области по стабильности развития берёзы повислой.
4.2.Региональная оценка качества вод с использованием ГИС в некоторых реках Калужской
4.3.Создание карт оценки качества окружающей среды по результатам биоиндикационных исследований на территории ООПТ (национальный парк «Угра» и заповедник «Калужские засеки»).
4.4.Картографическая оценка качества окружающей среды на территории Калужской области по заболеваемости экопатологиями детей до
4.5. Создание кадастра редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области как блока ГИС «Красная книга
Глава 5. Сравнительный анализ данных экологических исследований в среде ГИС.
5.1 .Сравнительный анализ качества окружающей среды по состоянию древесных и кустарниковых растений и по показателю стабильности развития древесных растений на территории Ленинского округа города Калуга за 2004 год.
5.2.Сравнительный анализ качества водной среды по результатам гидробиологических и химических исследований в малых реках окрестностей города
5.3.Сравнительный анализ карт распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных и суммарной изученности территории
5.4.Сравнительный анализ карт распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных и суммарной биоиндикацонной карты на территории Калужской области в период с 1997 по
5.5.Сравнение суммарных биоиндикационных
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Использование ГИС-технологий в региональных и локальных экологических исследованиях (на примере Калужской обл.)"
Актуальность темы. Рост численности населения и развитие техносферы существенно расширили область взаимодействия человека и природы. Действуя, не считаясь с законами живой природы и нарушая экологическое равновесие для удовлетворения своих потребностей, человечество, в конечном итоге, поставило себя в еще большую зависимость от состояния окружающей среды. Для выживания и дальнейшего развития человечества необходимы изучение Земли как целостной системы и формирование банка данных и знаний о процессах и элементах природной среды и общества в широком спектре их взаимодействия, анализ, оценка и прогнозирование динамики явлений и процессов, происходящих в окружающем мире с целью принятия экологически грамотных решений в сфере взаимодействия природы и общества (Экоинформатика. 1992). Для реализации рационального управления окружающей средой с учётом научно - обоснованных решений необходимо создание экологических информационных систем. Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП), созданная в 1972 году предусматривает создание глобальной системы наблюдения за окружающей средой. Данные для этой системы поставляют глобальная система наблюдения за окружающей средой (ГСМОС), информационно-справочная система ИНФОТЕРРА и другие крупные межнациональные проекты (Risser, 1988. Гершензон. 2003). С 1980 года развивается глобальная база данных о природных ресурсах (ГРИД). Работу с огромными массивами данных, информации и знаний, которые накопило и продолжает постоянно получать человечество, должны облегчить использование новых информационных технологий, в частности использование географических информационных систем (ГИС). ГИС - это компьютерные системы сбора, хранения, обработки и отображения пространственно-координированных данных, которые интегрируют разнородную информацию, поступающую из различных источников на основе пространственного положения, в результате чего появляется возможность сопоставлять разнообразные факторы среды и проводить комплексную геоэкологическую оценку территории (Сербенюк, 1990; Берлянт, 1996; Жуков, Лазарев, Новаковский, 1995).
По материалам ГИС-Ассоциации в России экологические ГИС региональных и локальных уровней обычно применяют для решения какой-либо одной узкой задачи (отображение деградации флоры или фауны, моделирование влияния и распространения отдельных видов химических загрязнений, проведение мониторинга по конкретному параметру). Более приближёнными к комплексному анализу территории являются ГИС ООПТ различных уровней, но подобных работ единицы и общего подхода для них не разработано (Материалы., 2002, Проблемы.,2002). Большей частью региональные ГИС используются для решения экономических и социальных задач.
Основываясь на необходимости создания региональных ГИС на территории РФ. в Калужской области реализуется областная целевая программа «Создание географической информационной системы Калужской области» для совершенствования систем учёта, оценки и потенциалов экономического развития области, в том числе использования и охраны природных ресурсов. В конце лета текущего года создан ГИС-центр в городе Калуге. ГИС Калужской области и города Калуги обязательно должны включать экологическую составляющую для рационального и эффективного управления социально-экономическим развитием области и города. При этом данные, которые наполняют блок «Экология» должны быть максимально достоверны, и получены от специалистов в конкретной области знаний в результате проведения специальных исследований. Необходимость проведения данной работы заключается в том, чтобы проанализировать и обосновать особенности и преимущества использования технологий ГИС в экологических исследованиях и включение результатов этих исследований в единое информационное пространство для формирования как можно более полной оценки состояния территории Калужской области и города Калуги. Только на основе таких оценок возможно эффективное и рациональное управление качеством окружающей среды.
Цель и задачи исследования. Основная цель работы -изучение особенностей применения ГИС-технологий для региональных и локальных экологических исследований различной тематики на территории Калужской области. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) Провести анализ использования ГИС-технологий и существующих методик обработки и представления экологической информации в экологических исследованиях на локальном и региональном уровнях.
2) Создать слой квартальной застройки города Калуги как необходимую основу для геокодирования данных экологических исследований.
3) Изучить особенности ведения биологических кадастров с применением ГИС-технологий на примере создания БД и связанных электронных карт по распространению редких и исчезающих видов живых организмов, занесённых в Красную книгу Калужской области и по распространению древесных и кустарниковых растений на улицах города Калуги.
4) Проанализировать возможности одновременного совместного использования картографических слоев, характеризующих распространение отдельных редких и исчезающих видов грибов, растений и животных для оценки территорий Калужской области в среде ГИС.
5) Проанализировать возможности использования картографического слоя и связанной БД описывающих распространение и характеристики древесных и кустарниковых растений на улицах города Калуги для целей управления работ по озеленению в среде ГИС.
6) На основе внедрённых в среду ГИС данных биоиндикационных исследований провести картографический анализ основных тенденций в пространственной и временной динамике распределения показателя стабильности развития живых организмов на территориях города Калуги и Калужской области.
7) Выявить и проанализировать возможности использования ГИС-технологий как инструмента для проведения сравнительного анализа разнородных экологических характеристик в пределах изучаемой территории и возможности применения результатов комплексного анализа экологической информации в ГИС для принятия решений в области управления качеством окружающей среды.
Научная новизна работы. Впервые создан целостный блок ГИС («Красная книга Калужской области»), включающий электронные карты и связанные БД по распространению редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области.
Впервые в среде ГИС использована БД, включающая специфические биологические характеристики древесных и кустарниковых растений на улицах города по данным натурных исследований специалистов-биологов и создана связанная карта месторасположений объектов кадастра.
Получены новые данные о пространственно-временной динамике качества окружающей среды Калужской области по стабильности развития живых организмов в период 2000-2006 годы. Эти данные подтверждают выявленные ранее общие тенденции динамики качества среды, определяемого системой биомониторинга области.
Впервые проведён сравнительный площадной анализ качества окружающей среды по показателю стабильности развития древесных растений и по распределению показателя состояния древесных и кустарниковых растений на территории Ленинского округа города Калуги.
Впервые проведён сравнительный площадной анализ качества окружающей среды по показателю стабильности развития берёзы повислой и по распределению редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области.
Практическая значимость работы. Слой квартальной застройки используется как основа для поадресной привязки в проведении целого ряда экологических исследований на территории города Калуги: медико-экологическое картографирование, кадастр зелёных насаждений на улицах города Калуги, биоиндикационные исследования и другие.
Картографическое представление и связанные БД кадастра древесных и кустарниковых растений улиц города Калуги используются в управлении работами по озеленению города с минимальными экономическими затратами и максимальной научной обоснованностью. Представление данных в ГИС так же позволяет вести мониторинг численности и состояния объектов озеленения с оперативным отображением информации. Данные используются в Управлении хозяйством управы города Калуги, Комитетом по охране окружающей среды и природным ресурсам, Калужской городской Думой.
Блок электронных карт и БД «Красная книга Калужской области» используется в практике деятельности государственной экологической экспертизы и при оценке воздействия планируемой хозяйственной деятельности на территории Калужской области. Кроме того, эта информация благодаря ГИС-технологиям открывает новые возможности для биоэкологических исследований. позволяя интегрировать разнородную информацию. Всего создано 578 слоев (по количеству видов, занесенных в Красную книгу Калужской области) распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области.
Создано более 50 электронных карт и связанных БД по результатам биоиндикационных исследований на локальном и региональном уровнях. Эти электронные карты и БД в ГИС используются в работе Лаборатории биоиндикации КГПУ им. К.Э.Циолковского, Калужского городского комитета по охране окружающей среды, Центра экологической политики России, а так же при проведении школьного биомониторинга разного масштаба.
Отдельные исследования были поддержаны грантами Центра Исследования Международного Развития IDRC (Канада) № 10051805-154 и РГНФ.
Разработанные алгоритмы и методики создания тематических электронных карт и БД и использования ГИС-технологий в экологических исследованиях могут быть рекомендованы как типовые при аналогичных исследованиях как на территориях города Калуги и Калужской области, так и в других городах и субъектах Российской Федерации.
Заложена основа комплексного экологического анализа посредством ГИС-технологий на территориях города Калуги и Калужской области.
Апробация работы. Основные положения представляемой диссертационной работы и результаты отдельных научных исследований были представлены на: межрегиональной научно-практической конференции «Река Ока - третье тысячелетие» (Калуга, 2001), региональной студенческой научной конференции «Применение кибернетических методов в решении проблем общества XXI века» (Обнинск, 2003), международной научно-практической конференции «Эколого-биологические проблемы водоемов бассейна реки Днепр» (Украина, Новая Каховка, 2004), региональной научной конференции «Техногенные системы и экологический риск» (Обнинск, 2005), XII Всероссийской конференции «Муниципальные геоинформационные системы» (Обнинск, 2005) международной молодежной конференции («TUNZA, Дубна +2») «Молодежь за безопасную окружающую среду для устойчивого развития» (г. Дубна, Московская область, 2005 г.), конференция с международным участием «Экология человека» (Архангельск, 2004 г.)
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит список литературы из 155 наименований на русском и английском языках. Объём диссертации составляет 159 страниц машинописного текста, включающих 48 рисунков и 6 таблиц.
Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Смирницкая, Наталья Николаевна
1. На современном этапе развития ГИС необходимо создание новых методик и внедрение достоверных результатов экологических исследований в блоки экологической информации локальных и региональных ГИС.
2. Созданный слой квартальной застройки является необходимой основой для объединения данных всех экологических исследований в городе Калуге, как наиболее приближённый к математической основе, и является визуальным отображением пространства города.
3. Созданные в ГИС биологические кадастры регионального и муниципального уровней открывают новые возможности для эффективного и экономичного использования данных - создания тематических электронных карт как по отдельным параметрам, так и для комплексного сравнения первичной информации.
4. Совместное использование созданных 578 картографических слоев распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных, занесённых в «Красную книгу Калужской области» в среде ГИС позволяет оценивать не только характеристики состояния отдельных видов и их групп, но и судить о состоянии территории анализируемых участков по плотности заселения редкими видами живых организмов.
5. Входящие в блок «Экология» Калужской городской ГИС картографический слой и связанная БД характеризующие распространение и состояние древесных и кустарниковых растений на улицах города Калуги позволяет оценивать зелёные насаждения города по 6 параметрам (вид, высота, окружность, возраст, состояние, рекомендации специалистов), что значительно сокращает материальные и временные затраты по рациональному управлению работ по озеленению.
6. Сравнительный картографический анализ данных исследований по распределению показателей состояния древесных и кустарниковых растений и по показателю стабильности развития древесных растений на территории Ленинского округа города Калуга за 2004 год, и данных оценки качества окружающей среды по коэффициенту стабильности развития берёзы повислой на территории Калужской области за 1997-2005 годы, показал, что ГИС-технологии являются оптимальным инструментом для изучения динамики анализируемых параметров. Выявлено совпадение в пространственном распределении показателей комфортности окружающей среды для произрастания и существования растительных организмов по состоянию объектов озеленения и по стабильности развития древесных растений. Выявлена многолетняя тенденция усреднения значений коэффициента флуктуирующей асимметрии и сохранения основных контуров благоприятного и неблагоприятного качества окружающей среды на территории Калужской области.
7. Комплексные исследования территории Калужской области (включающие в себя сравнение качества среды по разным параметрам - стабильность развития березы, гидробиологической индикации, линейной нагрузке, распространению редких и исчезающих видов животных, растений и грибов) показывают, что ГИС-технологии позволяют приблизиться к геосистемной оценке анализируемой территории, благодаря одной из главных функций ГИС - объединению разнородной информации на основе пространственной локализации.
8. Результаты комплексного анализа экологической информации в ГИС (электронные карты по нескольким параметрам, сравнительные карты динамики экологических процессов) являются готовой основой для принятия решений в области управления качеством окружающей среды.